Защита от импульсных перенапряжений СВЧ систем на объекте

УЗИП СВЧ диапазона: конструктивные особенности

Решение задачи по комплексной защите от импульсных перенапряжений оборудования объекта не может быть удовлетворительно решено без рассмотрения защиты оборудования в том числе и по сигнальным сетям.

Одной из разновидностей подобных сигнальных сетей являются в частности сети, приспособленные для передачи сигнала в области сверхвысоких частот или в области СВЧ диапазона.

Выделение УЗИП СВЧ сетей в отдельную разновидность устройств защиты обусловлено прежде всего конструктивными особенностями подобных трактов, а также особенностями распространения электромагнитных волн в СВЧ диапазоне.

Конструктивные особенности УЗИП СВЧ диапазона:

Тракт распространения (среда передачи), в данном частотном диапазоне выполнен в виде коаксиального кабеля. Поэтому вполне логично, что УЗИП СВЧ диапазона выполняются в коаксиальном конструктиве.

Параметры УЗИП в СВЧ диапазоне более разнообразные и достижение их сложно реализуемо, чем в низкочастотной области

СВЧ тракт, это всегда длинная линия и параметры тока и напряжения по длине линии зависят от однородности (неизменности) волнового сопротивления на различных элементах этой линии.

При подборе УЗИП в линии питания постоянного тока или тока промышленной частоты нас интересует амплитуда напряжения питания, которая учитывается при выборе УЗИП в виде длительно действующего напряжения, указанного в параметрах изделия. После правильного выбора УЗИП по этому параметру никаких «сюрпризов» в данной области не возникает.

В СВЧ диапазоне амплитуда сигнала зависит от согласования линии, то есть от однородности волнового сопротивления. Поэтому не качественные разъемные соединения (скачки волнового сопротивления) могут кардинально изменить картину распространения энергии в линии. Возникают отражения энергии на неоднородностях, как следствие, в линии появляется режим стоячих волн, характеризующийся таким параметром как КСВ (коэффициент стоячих волн). В этом режиме работы линии передачи возможно удвоение амплитуды сигнала, как следствие возможно превышение амплитуды сигнала, реально действующей в линии связи, над уровнем сигнала, выбранного УЗИП. В результате подобной несогласованности может наступить аварийный режим работы линии и выход УЗИП из строя.

Поэтому качеству разъемных соединений СВЧ УЗИП в оборудовании ОБО Беттерманн уделяется большое внимание

Качественный разъем, это изделие с тщательно выполненной геометрией (высококачественная механическая обработка, малые допуски), не магнитные материалы корпуса, а также малое переходное сопротивление контактных поверхностей - использование покрытий из драгоценных металлов (серебрение, золочение) и многое другое.

В результате разъем, а их в составе УЗИП две штуки, составляет заметную долю стоимости изделия и по определению (смотри выше) не может быть дешевым.

В СВЧ диапазоне применяются две технологии производства УЗИП:

УЗИП на основе разрядника
УЗИП на основе так называемых четвертьволновых заглушек.

Варисторы при производстве УЗИП СВЧ диапазона практически не применяются так как значительная собственная емкость варистора шунтирует СВЧ сигнал и не позволяет создать УЗИП приемлемого качества в данном частотном диапазоне.

УЗИП СВЧ диапазона с на основе разрядника изображено на Рис. 1

Как следует из схемы на Рис. 1, УЗИП на разряднике это устройство, оборудованное разъемами определенного типа, например, для «сотового» диапазона это разъем типа 7/16.

Между разъемами помещен отрезок коаксиальной линии со встроенным между внешним гофром (оплеткой) и внутренним (центральным) проводником коаксиала разрядником. Разрядник применяется закрытого типа газонаполненный с возможностью замены вышедшего из строя. Детали механического крепления разрядника и сам конструктив разрядника не должны приводить к заметному изменению волнового сопротивления линии в точке подключения разрядника. Как видим, требования к конструкции УЗИП весьма жесткие, поэтому стоимость подобного устройства не может быть низкой, это следует довести до заказчика (проектировщика).

В данном случае стоимость изделия это, прежде всего, качество соединений, без которого в СВЧ области приемлемое прохождение сигнала по линии (малое затухание тракта) получить невозможно.

Как мы говорили ранее, уровень срабатывания разрядника может быть превышен при больших уровнях (мощностях) передаваемого сигнала. В современных передающих системах за счет повышения чувствительности приемного тракта и увеличения избирательных свойств (направленности) антенн, удалось существенно снизить требования к излучаемой мощности сигнала. С уменьшением излучаемой мощности практически исчезли случаи превышения амплитуды сигнала над уровнем срабатывания разрядника.

Кроме того, данный конструктив УЗИП дает возможность применить СВЧ тракт (коаксиал) для подачи на приемопередатчик, расположенный на мачте, напряжения питания по центральному проводнику коаксиального кабеля. В этом случае уровень срабатывания УЗИП СВЧ дополнительно нужно проверить на соответствие амплитуде питающего напряжения.

УЗИП СВЧ диапазона на основе четвертьволновой заглушки изображено на Рис. 2

Как следует из схемы на Рис. 2, УЗИП на четвертьволновых заглушках – это устройство, оборудованное двумя разъемами на концах и Т-образной коаксиальной линией в центре устройства.

Вертикальная ветвь коаксиальной линии выполнена длиной четверть волны на несущей частоте и закорочена на конце (несущая частота современных систем передачи СВЧ диапазона – единицы или десятки ГГц).

Из теории длинных линий известно, что линия длиной четверть волны, закороченная на конце, имеет бесконечное входное сопротивление на несущей частоте.
Таким образом, для сигнала, близкого по частоте к несущей, этот отрезок представляет собой незамечаемое ответвление тракта (бесконечное входное сопротивление), а для частоты импульса молнии с граничной частотой 300 КГц, это короткозамкнутый отрезок линии с очень малым сопротивлением между оплеткой и центральным проводником.

Таким образом, на частотах, соответствующих природным и техногенным импульсным воздействиям, данное УЗИП ведет себя как потенциалоуравнивающее соединение между оплеткой и центральным проводником коаксиального кабеля. Отводимые токи УЗИП данной конструкции ограничены только поперечным сечением (тепловая стойкость) проводников конструкции, время реакции (включение в активный режим) практически нулевое, уровень защиты – напряжение, остающееся на УЗИП чрезвычайно низкий.

К отрицательным качествам УЗИП данного типа относятся:

высокая стоимость, которая существенно выше чем у УЗИП предыдущего типа
невозможность обеспечить питанием приемопередающее оборудование по центральному проводнику коаксиального кабеля.

Учитывая перечисленные выше отрицательные моменты, в оборудовании ОБО Беттерманн подобные УЗИП не используются.

Особенностью распространения электромагнитных волн в СВЧ диапазоне является распространение сигнала в зоне прямой видимости.

Следствием данного факта является вынужденное расположение приемных и передающих антенн в зоне прямой видимости, а значит, для достижения увеличенной дальности связи (зоны покрытия) необходимо поднимать антенны на значительную высоту. Таким образом антенны СВЧ диапазона должны располагаться на высоких антенномачтовых сооружениях (АМС). С точки зрения импульсных воздействий на оборудование объекта, АМС – это молниеприемник значительной высоты. Количество ударов молнии в молниеприемник пропорционально так называемому радиусу стягивания, а он равен трем высотам АМС.

В итоге, объект оборудованный АМС провоцирует многократное увеличение количества прямых ударов молнии в объект по сравнению с тем же самым объектом, но без АМС.
При ударе в мачту токи молнии попадают на присоединенную к металлоконструкциям мачты антенну (антенны) и далее по ногам опоры и по СВЧ кабелям пропорционально проводимости коммуникаций в частотном диапазоне до 300 КГц стекают к земле.
Значительная доля энергии стекает по СВЧ кабелям. Сами кабели с определенным шагом, зависящим от типа кабеля, подключаются к конструкциям опоры (АМС). Подключение оплетки кабеля к телу опоры производится с целью уравнивания потенциалов и устранения возможности пробоя воздушного промежутка и как следствие прожога кабеля.

Таким образом, место ввода СВЧ коммуникаций в объект, помимо всего прочего, это место ввода в объект части прямого тока молнии. Для обеспечения работоспособности всего комплекса оборудования объекта, в условиях импульсных воздействий, место ввода СВЧ коммуникаций должно быть оборудовано соответствующим образом.

Для сохранения в рабочем состоянии оборудования объекта, подключенного к СВЧ коммуникациям, необходимо установить на объекте УЗИП СВЧ. Наиболее грамотно установить данные УЗИП в месте пересечения коаксиальными кабелями границы зоны 0 Б (внешние стены объекта). Конструктивно в этом месте, как правило, происходит переход с внешних уличных фидеров (коаксиалов) на внутренние (негорючие, безгалогеновые) коаксиалы (джамперы) меньшего диаметра и повышенной гибкости.

Именно в этом месте наиболее правильно между уличным кабелем и джампером установить УЗИП СВЧ, согласованные по типам разъемов (кабель, джампер), уровню сигнала, и, возможно, если используется по амплитуде питающего напряжения в коаксиале. УЗИП СВЧ оборудованы заземляющим контактом (болт на корпусе УЗИП), поэтому все УЗИП можно смонтировать на шине. Конструктивно УЗИП СВЧ удобнее и правильнее смонтировать на шину уравнивания потенциалов, например, типа 1802…

Для сохранения в рабочем состоянии всего комплекса оборудования объекта и уменьшения доли тока молнии попавшей внутрь объекта от места ввода СВЧ коммуникаций, необходимо шину уравнивания потенциалов, на которой смонтированы УЗИП СВЧ соединить с главной заземляющей шиной (ГЗШ) объекта. Чтобы обеспечить максимальное уменьшение энергии молнии попавшей внутрь объекта, расстояние между ГЗШ объекта и УЗИП СВЧ (шиной) должно быть минимальным (уменьшение погонной индуктивности проводников). Поэтому СВЧ ввод в объект оборудованный УЗИП СВЧ должен располагаться как можно ближе к ГЗШ объекта.

Таким образом, наличие на объекте СВЧ коммуникаций позволяет обоснованно предложить заказчику комплекс оборудования:

УЗИП СВЧ, согласованные по типам и количеству кабелей (разъемам), уровню сигнала, амплитуде (напряжению) питания передатчиков по коаксиалу (если используется);
шину (шины) уравнивания потенциалов;
соединительные проводники между шиной уравнивания и ГЗШ объекта.

Кроме того, наличие СВЧ ввода позволяет предложить заказчику комплект УЗИП по питанию как минимум первого класса (по волне 10/350), если они еще не установлены на объекте.

Защита от импульсных перенапряжений СВЧ систем на объекте

УЗИП СВЧ диапазона: конструктивные особенности

Подписаться на новости